Вычислительное устройство для определения дробных долей и целого числа полос интерференция Советский патент 1980 года по МПК G06J3/00 

Указанные средства позволяют при сканировании зеркала опорного ключа интерферометра путем возбуждения пьезоКерамической основы генератором модуляции осуществлять периодическое движение интерференционной картины в плоокости фотоприемника, в результате чего на его выходе вырабатьгаается электрический сигнал, фаза которого относительн. но модулирующего напряжения линейно

связана с величиной перемещения в измерительном плече.

Фазовое соотнощение между опорным сигналом с фотоприемника преобразуется во временной интервал, измеряемый устройством. Одновременно измерение величины одного периода сигнала фотоприемника определяет числовое значение целой интерференционной полосы.

Поскольку измерение фазы однозначно ЛИШЬ в интервале 0,271, данное устройство при смещениях в измерительном плече интерферометра, больщих Л /2, через каждые Л/2, (А -длина волны излучения), соответствующие изменению фазы на 2, регистрирует направление перемещения по скачкам временного интервала и осуществляет, таким образом, реверсивный счет целых и дробных долей интерференционных полос.

Однако, вследствие неизбежного вптягния нестабильности частоты и амплитуды модул5щии пьезокерамики в процессе цифровых измерений меняется числовое значение целой интерференционной полосы. При этом счет дробных долей и целого числа полос осуществляется с неравным числовым весом, т. е. не согласованно что снижает точность измерений производимых с помощью этого устройства, и не позволяет достичь разрещения выше

г2

Л/2,

10

Кроме того, при случайных уменьшениях амплитуды излучения, отраженного от исследуемого объекта, ниже пороговойго уровня формирователя, например при профилометрии, когда происходит смена отражающих площадок на объекте, здесь происходят срьюы работы измерительных блоков, приводящие к появлению ложных фазовых скачков и, следовательно, к искажению данных измерений.

Введение отрицательных чисел в реверсивном счетчике целых интерференцион- ных полос не соответствует функционированию счетчика дробных полос, осуществляемом только в области положительных

чисел, что затрудняет отсчет н приводит к накоплению ошибок.

Цель изобретения - повьшгение точности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее интерферометр, состоящий из источника излучения, оптически связанного через полупрозрачное зеркало с исследуемым объектом, опорным зеркалом и фотоприемником, въгход которого соединен с входом первого усилителя - формирователя, генератор опорного напряжения, соединенный с опорным зеркалом и входом второго усилител51-формирователя, блок управления счетом, входы которого соединены с выходами усилителей-формирователей и с выходом тактового генератора, а выходы соединены с входами блока сравнения кодов, счетчика дробной доли полосы и с управляющим входом блока оперативной памяти, сигнальные входы которого подключены к выходам счетчика дробной доли полосы, выход блока оперативной памяти подключен к входу блока, сравнения кодов, реверсивный счетчик целых полос, входы которого соединены с выходами блока сравнения кодов, а выходы подключены ко . входам первого цифроаналогового преобразователя и к первой группе входов ци(} рового индикатора, и второй ци4роаналоговый преобразователь, введены блок обращения кода и цепочка из последовательно соединенных блока нормировки полосы, реверсивного счетчика импульсов нормировки, дополнительного цифроаналогового преобразователя и усилителя постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу тактового генератора, первый и второй управляющие входы блока нормировки полосы соединены с соответствующими выходами блока управления счетом, группа информационных входов соединена с выходами счетчика дробной доли пол осы, а выход переполнения соединен с соответствующим входом блока управления, входы блока обращения кода подключены к выходам блока оперативной памяти, его знаковый вход соединен с выходом знакового разряда реверсивного счетчика целых полос, а выходы подсоединены к входам ци4 оаналогового преобразователя и ко второй группе входов цифрового индикатора. При этом блок нормировки полосы содержит два триггера, S-входы которых объединены и юляются первым управляющим входом блока, D-вход даждого триггера соединен с его обратным выходом, обратный выход второго триггера яЕляется вьсходом переполнения блока, обратный выкод первого триггера соединен с С -входом второго триггера и с первым входом первого элемента И, второй вход которого и первьй вход второго элемента И соединены с обратным выходом второго триг гера, третий вход первого элемента И со единен с выходом блока элементов И, группа входов которого является группой информационных входов блока, четвертый вход первого элемента И и второй вход второго элемента И объединены и являю ся вторым управляющим входом блока, третий вход второго элемента И соединен с прямым выходом первого триггера, выходы первого и второго элементов И $тляются соответствующими выходами бло ка. На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства, на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства, на фиг. 3 - при1щипиальная схема блока нормировки полосы. Вычислительное устройство содержит интерферометр, состоящий из источника 1 излучения, исследуемого объекта 2, оперного зеркала 3 на пьезокерамическом вибраторе, возбуждаемом генератором 4 опорного напряжения и фотоприемника 5. Выходы фотоприемника 5 и генератора 4 через усилители-формирователи 6 и 7 поступают на блок 8 управления счетом, выходы которого подключены к входам счетчика 9 дробной доли полосы, блока 10 оперативной памяти, блока 11 ния кодов и блока 12 нормировки полосы подключенного к последовательно располо женным реверсивному счетчику 13 импульсов нормировки, дополнительному цифроаналоговому преобразователю 14, усилителю 15 посто5шного тока и тактовому генератору 16, соединенному с блоком 8 управления счетом. Выходы блока 10 оперативной памяти подключены к блоку 11 сравнения кодов и к блоку 17 обращения кода, соединенному с цифровым индикатором 18 вторым цифроаналоговъ1М преобразователе 19. Два выхода блока 11 сравнения кодов подключены к входам реверсивного счетчика 20 целых полос, соединенного с цифровым индикатором 18 первым ци4 эоаналоговым преобразователем 21 и с блоком 17 обращения кода. Один из выходов блока 12 нормирования полосы под 7 496 клюьчен к блоку 8 управления счетом и служит для блокировки при возможных срьшах сигнала. Блок 12 нормировки полосы в свою очередь содержит триггеры 22, 23, первый 24 и второй 25 элементы И, группу элементов И 26. Устройство работает сле/ гащим образом. Сформированные сигналы прямоугольной формы - сигнал модуляции, сформированнъй опорным зеркалом интерферометра (фиг. 2а) и сигнал с фотоприемника 5 (фиг. 26) поступают в блок 8 управления счетом через усилители 6 и 7. Одновременно, на вход блока 8 поступа.ют импульсы тактового генератора 16 . высокой частоты. Блок 8 вьщеляет из импульсов тактового renepaTOjja определенную последовательность (фиг, 2г) и направляет ее в счет чик 9 ; обной доли полосы, подготовка которого к режиму измерения осуществляется импульсами (фиг. 2д) каждьй период частоты модул5щии. Временной интервал между вырабатьтаемыми в блоке 8 импульсами представленными на фиг. 2е, соответствующими положительному (}ронту (фиг. 2 а) и первым преды/ щим положи- тельным фронтом (фиг. 26), совпадающим по времени с последним импульсом (фиг. .2д), соответствуетизмеряемой дробной доле интерференционной полосы. С формированием импульса, представленного на фиг. 2е, в блок 1О оперативной памяти переводятся числовью значения величины дробной доли полосы из счетчика 9 для пocлeд гющeгo ее отображения и использования. Импульс сравнения (на фиг. 2ж), служащий для обеспечения работы системы нормирования полосы, вырабатывается в момент прохождения целой интерференционной полосы в счетчике 9 и формируется в блоке 8. Импульсы (фиг. 2 з), привязанные по времени к моменту окончания импульсов на фиг. 2ж, служат для функционирования блока 11сравнения кодов, формирующего реверсивные импульсы прохождения целой интерференцио1шой полосьи Блок 11 сравнения кодов работает сле; ющим образом. Импульсами, изображенными на фиг. 2з, за каждый такт модуляции производится запись текущего содержания блока 10 памяти в блок 11 сравнения, что обеспечивает сравнение предыдущей информации счетчика 9 с текущей импульсами на

иг, 2ж. В случае скачкообразного переода сравниваемых чисел от максималь.ого к минимальному или наоборот блок 11 пропускает импульс, показанный на иг 2ж, либо на суммирующий вход ре- 5 ерсивного счетчика целого числа полос 20 либо на вычитающий.

Блок 12 служит как для управления нормировкой, так и для формирования с помощью триггера 23 сигнала nepenoj - ю нение, фиксирующего состояние всего устройства на время пропадания сигнала на фиг 26 путем блокировки по BsojjaM реверсивного счетчил а 13 импульсов нормировки и запрета на выработку в блоке 15 8 импульсов,показанных на }иг, 2ж и 2е,

Блок нормировани;Я полосы работает следующим образом.

Предположим, что числовое значение целой интерференционной полосы, записакм. 20 ное в счетчике. 9, увеличилось (уменьшит лось) и стало больще (меньше) заранее выбранного нормированного значениз При этом блок нормировки полосы 12 Быра - ботает импульс, поступающий на вьгчитан - 25 щий (суммирующий) вход реверсивного счетчика 13. 1- апряжение, снимаемое с выхода ЦАП 14 после усиления в усилителе 15 будет воздействовать на тактовый генератор 16 пропфционально рас- 30 стройке полосы, уменьшая (увеличивая) его частоту, Описьтаемьй цикл будет повторяться до полной компенсации рассогласования

Кроме управления автоподстройкой35

блок нормирования полосы обеспечивает возможность блокировки срьгоов работы счетчика 9 дробной доли полосы, обусловленных случайными падениями амплитуды отраженного от исследуемой поверхности 40 излучения например, при профшюгра4иро. вании. При этом сохраняется значение измеряемой величины перемещения, предшествовавшее моменту срьюа.

Наличие замкнутой системы автопод. стройки частоты тактового генератора значительно снижает требования к его стабильности. Технически он может быть выполнен в виде обычного регулируемого мультивибратора. Для совмещения числовых значений счетчика ; зобной .доли полосы 9 и реверсивнсяо счетчика целых полос 2О с учетом знака последнего в предлагаемое устройство вреден блок55

17 обращения кода, управляемый сигналом от триггера знака реверсивноро счеч гяыса 20,

Таким образом, .описьтаемое устройств выгодно отличается от известного, так как уменьшается (компенсируется) погрешность измерения перемещений, обусловленных влиянием нестабильности амплитуды и частоты сканирование; зеркала опорного плеча интерферометра. Кроме того, в результате нормировки цифрового значения целой интерференционной полосы осуществляется счет дробных долей и целых полос с одинаковым весом, Формула изобретения

1, Вычислительное устройство для определения ;фобных долей и целого числа полос интерференции, содержащее интерферометр, состоящий из источника из-: лучения оптически связанного через iioлупрозрачное зеркало с исследуемым объектом, опорным зеркалом и фотоприемником, выход фотоприемника соединен с входом первого усилителя - формирователя; генератор опорного напряжения, соединенный с опорным зеркалом и входом -второго усилителя-формирователя блок управления счетом, входы которого соединены с выходами усилителей-формирователей и с выходом тактового генератора, а выходы соединены с входами блока сравнения кодов, счетчика дробной доли полосы и с управляющим входом блока оперативной памяти, сигнальные входы которого подключены к выходам счетчика дробной доли полосы, выход блока оперативн памяти подключен к блока сравнения кО дов, реверсивный счетчик Целых, полос, входы которого соединены с выходами блока сравнения кодов, а выходы подключены ко входам первого цифроаналогового преобразователя и к первой группе входов ци4 ового индикатора, второй цифроаналоговый преобразователь, о т л и ч а е е с я тем, что, с целью повь шения точности устройства, в него ввег дены блок обращения кода и цепочка из последовательно соединенных блока нор мировки полосы, реверсивного счетчика импульсов нормировки, дополнительного ци4уоаналогового преобразователя и усилителя постоянногр тока, выход которого подключен к управляющему входу тактового генератора, первый и второй управляющие входы блока нормировки полосы соединены с соответствующими вь жодами блока управления счетом, группа информационных входов соединена с вь ходами счетчика ; эобной доли полосы, а выход переполнения соединен с соответствующим входом блока управления, входы блока обращения кода подключены к выходам блока оперативной памяти, ег знаковый вход соединен с выходом знако вого разряда -реверсивного счетчика це полос, а выходы подсоединены к вхо дам ци оаналогового преобразователя и ко второй грудпе входов цифрового индикатора. 2, Устройство по п, 1, о т л и ч а- JO щ е е с я тем, что блок нормировки полосы содержит два триггера, 5-входы которых являются первым управляющим входом блока, D-вход каждого триггера соединен с его обратным выходом, обрат ный выход второго триггера является выходом переполнения блока, обратный выход первого триггера соединен с С -входом второго триггера и с первым вхо дом первого элемента И, второй вход которого и первьй вход второго элемента И соединены с обратным второго триггера, третий вход первого элемента И соединен с выходом блока элементов И, группа входов которого является группой, информационных входов блока, четвертый вход первого элемента И и второй вход второго элеме та И объединены и являются вторыкт управляющим входом блока, третий вход второго элемента И соединен с прямым выходом первого триггера, выходы первого и второго элементов И являются соответствующими выходами блока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 34О9375, клГ35&-106, 1974. 2. ж, Приборы и техника эксперимента, 1976, №6, с. 159-162 (прототш).

Jl

ч

Фш.З